在用鍋爐煙氣脫硫除塵和脫硝改造工程方案設計

毛紅社

(煤炭工業(yè)太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030001)

1 工程概況

1)陽煤集團景福煤業(yè)煤礦現(xiàn)有一座鍋爐房，內(nèi)設3臺6 t燃煤鍋爐。根據(jù)山西省印發(fā)的《山西省大氣污染防治2018年行動計劃》要求大氣污染物排放濃度應滿足GB 13271—2014鍋爐大氣污染物排放標準[1]。大氣污染物特別排放限值見表1。

表1 鍋爐大氣污染物特別排放濃度限值 mg/m3

目前，鍋爐房內(nèi)共設置3臺鍋爐，每臺鍋爐對應一套布袋除塵器+麻石塔煙氣處理系統(tǒng)，表2是礦方提供的監(jiān)測報告。

表2 鍋爐煙氣排放情況表

根據(jù)礦方提供的上述檢測數(shù)據(jù)可知，二氧化硫、氮氧化物均嚴重超標，煙塵稍微超標，煙塵、二氧化硫和氮氧化物均不滿足GB 13271—2014鍋爐大氣污染物排放標準中特別排放限值的要求，因此急需對現(xiàn)有鍋爐煙氣系統(tǒng)進行脫硫除塵改造[2]。

2)根據(jù)現(xiàn)場勘察，目前景福礦鍋爐房主要存在的問題有以下幾個：

a.根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，煙氣中含氧量比較高，平均值達到20.23%，接近于空氣含氧量；

b.麻石塔“走風漏氣”現(xiàn)象嚴重；

c.循環(huán)泵流量較小，脫硫效果差；

d.二氧化硫、氮氧化物濃度超標嚴重。

3)解決對策：

a.將原麻石塔更換為碳鋼防腐脫硫塔；

b.將原除塵器布袋更換覆膜的PPS+PTFE材質(zhì)；

c.更換脫硫循環(huán)泵；

d.脫硝采用SNCE+爐外氧化脫硝工藝。

2 煙氣處理方案選擇

2.1 煙氣除塵系統(tǒng)選擇

布袋除塵器方案：

布袋除塵器具有除塵效率高、工作穩(wěn)定、維修工作量小等優(yōu)點，除塵效率能達到99%以上。

該鍋爐房單個鍋爐總煙氣量Q=1.8萬m3/h，考慮煙氣量不穩(wěn)定、溫度變化等因素，計算過程煙氣量加大。過濾風速V取0.7 m/min；過濾面積S=Q/V=477 m2。

原有的布袋除塵器：

布袋規(guī)格：φ133×4 200 mm。

布袋條數(shù)：N=S/πDL=271條。

結(jié)合鍋爐煙氣的特性，這次改造將原布袋更換為覆膜的PPS+PTFE材質(zhì)，解決了煙氣的強腐蝕的問題，并采用刮板機收集煙塵，統(tǒng)一送入除渣機中。

2.2 煙氣脫硫工藝選擇

2.2.1 脫硫工藝系統(tǒng)比選

目前已商業(yè)化運行的煙氣脫硫(FGD)工藝，按脫硫劑和脫硫產(chǎn)物形態(tài)可分為干法、半干法和濕法等[3-4]。

干法煙氣脫硫工藝主要優(yōu)點為：工藝流程和設備簡單、工程投資小、占地面積小、運行費用低。但存在如下主要問題：

1)干法煙氣脫硫工藝，脫硫劑利用率低。

2)采用干法煙氣脫硫工藝，煙氣先進行脫硫，再進行電除塵，增加了煙氣中煙塵濃度，增加了電除塵器的負荷。

3)脫硫效率較低,二氧化硫排放總量較大，影響污染物排放總量控制。

4)干法脫硫工藝先進行脫硫，再進行電除塵，脫硫產(chǎn)物和粉煤灰混合，難以處理，無法進行分離和綜合利用，因此降低了煙氣治理副產(chǎn)品的利用價值。

干法脫硫效率較低，要獲得較高脫硫效率應該采用濕法煙氣脫硫工藝。國外電站85%煙氣脫硫工程以上采用濕法煙氣脫硫工藝，其脫硫效率高，技術成熟，運行可靠。

2.2.2 濕法煙氣脫硫工藝

為了降低二氧化硫排放濃度，本脫硫方案選擇采用濕法煙氣脫硫工藝。

目前可供選擇的濕法煙氣脫硫工藝[5]如下：

1)堿吸收法工藝簡單，脫硫效率高,煙氣脫硫不產(chǎn)生二次污染，但用于進行脫硫，氫氧化鈉價格太貴，不適合本脫硫工程采用。

2)氨法采用氨水作脫硫劑，其脫硫效率高，運行可靠，脫硫副產(chǎn)物硫銨為化肥，具有較高的經(jīng)濟效益，但工藝流程長，投資較大。

3)石灰石-石膏法適用于各種規(guī)模煙氣脫硫工程，技術成熟，可靠，應用最廣。其脫硫吸收劑資源豐富，價格便宜，對燃料變化適應性強，脫硫產(chǎn)物石膏可進行綜合利用[6]。

氧化鎂法、石灰法、雙堿法、氨法脫硫工藝比較一覽表詳見表3。

表3 濕法脫硫工藝比較一覽表

為減少工程投資，結(jié)合本廠周邊的實際情況，各種方案優(yōu)化比較，本工程設計方案采用原有的雙堿法煙氣脫硫工藝。

2.3 脫硫塔比選

濕法脫硫工藝的脫硫塔主要有噴淋吸收塔、填料塔、文丘里吸收塔、旋流板吸收塔、渦輪增壓吸收塔等塔型。

常用脫硫塔性能參數(shù)表詳見表4。

表4 常見脫硫塔性能參數(shù)表

經(jīng)比較，本次設計推薦采用渦輪增壓脫硫塔。

2.4 煙氣脫硝工藝選擇

小型鍋爐煙氣脫硝工藝分選擇性非催化還原技術(SNCR)和濕法低溫氧化法(NaClO溶液氧化吸收法)。

2.4.1 SNCR技術特點

一般來說，SNCR脫硝效率對小型機組可達50%。由于該法受鍋爐結(jié)構(gòu)尺寸影響很大，其工程造價低、布置簡易、占地面積小，適合老廠改造。這種技術的不足之處就是NOx的脫除效率不高，氨逃逸比較高，單獨使用SNCR技術受到了一些限制。

2.4.2 濕法脫硝(NaClO溶液氧化吸收法)技術特點

脫硝工藝介紹：煙氣中NOx的主要組成是NO(占90%)，NO難溶于水，而高價態(tài)的NO2，N2O5等可溶于水生成HNO2和HNO3，溶解能力大大提高。NaClO作為強氧化劑，原理在于可以將難溶于水的NO氧化成可溶于水生成HNO2和HNO3的NO2，N2O3，N2O5等高價態(tài)氮氧化物。

NaClO氧化吸收法的脫硝效率可達60%，對煙氣中NO進行氧化，最終將NOx轉(zhuǎn)化為可溶于水的硝酸鹽。

NaClO氧化吸收法脫硝脫硫技術原理為：

通過考察各種工藝運行參數(shù)對脫除效率的影響，確定了NaClO溶液的最佳工藝條件：NaClO溶液物質(zhì)的量濃度4 mmol/L，吸收液初始pH取5.5，液氣比取4 L/m3。

2.4.3 脫硝方案選擇

通過綜合對比，為保證脫硝效果，脫硝方案選擇采用兩級脫硝工藝，第一級為SNCR脫硝，第二級采用NaClO氧化吸收法脫硝脫硫，是達到排放效果的最佳組合方案。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，SNCR脫硝工藝氮氧化物質(zhì)量濃度可從523 mg/m3降到300 mg/m3，低溫氧化法可從300 mg/m3降到200 mg/m3。能夠達到目前的排放標準要求，二次污染小，適合中小型鍋爐，脫硝設備及后期運行費用相對低廉，運行可靠，便于維護等優(yōu)點，所以該工程脫硝工藝選擇SNCR脫硝+NaClO溶液氧化吸收法兩級脫硝。

3 煙氣處理方案設計

本次煙氣處理方案設計為：脫硫除塵采用布袋除塵器+濕式渦輪增壓脫硫塔+兩級SNCR脫硝+NaClO溶液氧化吸收法脫硝，雙堿法脫硫工藝，除塵效率99%，脫硫效率85%，脫硝效率65%以上。

拆除原有麻石塔，更換為碳鋼一體脫硫塔；更換原布袋除塵器的布袋，更換后材質(zhì)為PPS+PTFE，新建一套兩級SNCR脫硝+NaClO溶液氧化吸收法脫硝設施，同時更換4臺脫硫循環(huán)泵(3用1備)，并改造加藥系統(tǒng)和除灰系統(tǒng)。

3.1 工藝設計

本次設計采用布袋除塵器+濕式渦輪增壓脫硫塔+兩級SNCR脫硝+NaClO溶液氧化吸收法脫硝，鍋爐設置3臺布袋除塵器，按照一爐一塔布置；脫硫塔設置3臺，一爐一塔布置；設置1套SNCR和1套NaClO溶液氧化吸收法脫硝設備；更換原有引風機。根據(jù)該項目特點，鍋爐煙氣先和尿素溶液反應后進入布袋除塵器除塵，然后再與NaClO溶液反應，最后進入脫硫塔，經(jīng)引風機最終使煙氣達標排放[7]。

由于場地有限，將引風機設置在脫硫塔后，同時由于NaClO溶液具有腐蝕性，將布袋除塵器出口至脫硫塔煙道更換為316 L不銹鋼或者碳鋼防腐煙道[8]。

3.2 除塵系統(tǒng)設計

經(jīng)現(xiàn)場勘查，利用原有3臺布袋除塵器，全部放置于室內(nèi)，更換原布袋除塵器的布袋，更換后材質(zhì)為PPS+PTFE，壓縮空氣系統(tǒng)利用原有設備，3臺除塵器設置一個刮板機，統(tǒng)一輸送至除渣池內(nèi)。

布袋詳細參數(shù)見表5。

表5 布袋除塵器技術參數(shù)

3.3 脫硫系統(tǒng)設計

3.3.1 吸收塔系統(tǒng)

1)吸收塔。

設置3臺渦輪增壓脫硫塔，采用碳鋼玻璃鱗片防腐或者花崗巖，脫硫塔設置于原麻石塔基礎上。脫硫塔參數(shù)如下所示：

液氣比：4 L/m3；

脫硫塔出口煙氣溫度為：50 ℃～55 ℃；

3臺6 t鍋爐脫硫塔內(nèi)徑：1.6 m；

3臺6 t鍋爐高度：18 m；

除霧器：折流式除霧器，2層，材質(zhì)PP；

噴淋層：4層；

除霧器沖洗頻率：1次/h，1 min/次；

噴淋層噴頭覆蓋率：200%～300%；

煙氣流速：<3 m/s；

脫硫系統(tǒng)阻力：<1 200 Pa；

脫硫塔脫硫效率大于85%。

2)循環(huán)泵。

循環(huán)泵按單元制設置，1臺直徑1.6 m脫硫塔共用一套循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)泵流量為80 m3/h，揚程為35 m。循環(huán)泵為離心葉輪泵(高分子材料)，由耐磨耐腐蝕材料制成，適于輸送介質(zhì)的特性，并且至少適于高達40 g/L的氯離子濃度。吸收塔共配置4臺循環(huán)泵。

3)除霧器沖洗系統(tǒng)。

3臺脫硫塔上的除霧器需要定時沖洗，除霧器沖洗頻率為1次/h，1 min/次；本次設計采用2臺沖洗水泵，水泵參數(shù)：

流量為80 m3/h；揚程30 m；功率為11 kW；共2臺，1用1備。

沖洗水箱：利用原有。

3.3.2 煙風系統(tǒng)

本項目原有引風機風壓不夠，本次設計采用布袋除塵器+脫硫塔+脫硝工藝，因此需要更換原引風機。

根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，布袋除塵器系統(tǒng)阻力約為1 200 Pa～1 500 Pa，脫硫塔阻力約為1 500 Pa。

6 t鍋爐房引風機參數(shù)為：

風量20 000 m3/h，風壓6 500 Pa，功率75 kW，電壓380 V[9-10]。

3.3.3 其他

1)加藥系統(tǒng)。利用原有進行改造，增加pH控制系統(tǒng)。2)污泥脫水系統(tǒng)。利用原有壓濾系統(tǒng)。3)吸收液循環(huán)系統(tǒng)。利用原有的脫硫循環(huán)池。

3.4 脫硝工藝設計

3.4.1 SNCR脫硝系統(tǒng)

1)尿素溶液制備系統(tǒng)。

運送至現(xiàn)場的袋裝顆粒尿素儲存在尿素儲存間，經(jīng)過人工破袋后，倒入電動螺旋輸送機中，送入尿素溶解罐內(nèi)，并與尿素溶解罐中的按比例補充的新鮮除鹽水充分溶解，配制成質(zhì)量濃度為10%的尿素溶液。顆粒尿素存儲間規(guī)模為滿足5 d的需要。

2)溶液儲罐。

在溶解罐中，用軟化水制成10%～20%的尿素溶液。為了加快尿素的溶解，可用蒸汽加熱溶解混合液至40 ℃～80 ℃或直接加入70 ℃的工藝水。罐體材料采用S304不銹鋼材質(zhì)，設有人孔、顆粒尿素進口、蒸汽進口、溶解水進口、尿素溶液出口、呼吸管、溢流管、排污管、攪拌器、液位、溫度測量等設施，罐體做巖棉保溫。

3)泵站模塊。

泵站模塊是SNCR脫硝設備的核心主要設備，它主要功能是精確計量尿素溶液的流量并為管路系統(tǒng)提供足夠的壓力。

4)脫硝分配模塊。

分配模塊主要是為脫硝噴槍提供尿素溶液和壓縮空氣，調(diào)整和保持均勻的流量和壓力。每組分配模塊分為尿素溶液和壓縮空氣兩部分，并分別設置總開關(一級調(diào)整壓力和流量)，尿素溶液分配組還包括針形調(diào)節(jié)閥和不銹鋼壓力表；壓縮空氣分配組設置了壓縮空氣調(diào)節(jié)閥(自帶壓力表)，尿素溶液的壓力通常調(diào)節(jié)到300 kPa～400 kPa，壓縮空氣的壓力通常調(diào)節(jié)到400 kPa。每爐的每組分配模塊要保持相同的壓力。如果出現(xiàn)壓力異常要檢查針型閥或噴槍是否堵塞。

5)脫硝噴槍。

脫硝噴槍為SNCR脫硝的核心部件。

噴槍為雙流體噴槍，壓縮空氣進口在槍尾槍屁股，尿素溶液進口在垂直槍桿的方向。平時務必保證尿素溶液的進口垂直向上(這樣才能保證噴嘴噴出的扇形霧是水平方向)，噴槍的噴嘴材質(zhì)為310S，耐高溫耐摩擦，噴嘴通常距離爐墻2 cm～5 cm，安裝時切記不能縮在爐墻里或者結(jié)焦里，也不能伸入爐膛太長，噴槍要每周至少一次取出檢查霧化情況，觀察是否有結(jié)焦、損壞、堵塞等現(xiàn)象影響霧化的效果，并及時處理。

3.4.2 煙道低溫催化氧化脫硝系統(tǒng)

爐外脫硝要求進脫硫塔前有4 m～6 m的煙道為碳鋼內(nèi)襯防腐或者不銹鋼316L制作，使用最新工藝的“微型脫硝一體機模塊”，將催化氧化液加壓輸送模塊、計量模塊、PLC電控模塊優(yōu)化集成在一個模塊。

設置2只噴槍安裝在碳鋼內(nèi)襯防腐玻璃鱗片的煙道上(直徑0.7 m)。煙道旁設置一個催化氧化脫硝液體儲罐(玻璃鋼材質(zhì)10 m3)。

4 結(jié)語

景福煤業(yè)煤礦鍋爐房現(xiàn)有的3臺6 t燃煤鍋爐經(jīng)過煙氣脫硫除塵和脫硝改造后可滿足GB 13271—2014鍋爐大氣污染物排放標準的大氣污染物特別排放限值。